自适应气动吊装设备控制回路设计.pdf

2 0 1 5年 5月 第 4 3卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUU C S Ma v 2 0 1 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 0 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 1 0 ． 0 3 0 自适应气动吊装设备控制回路设计 齐秀丽，刘亮，鞠彬 山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛2 6 6 5 9 0 摘要针对我国吊装设备无法实现智能弹性浮动的问题 ，设计了具有采压、稳压、失压保护特点的纯气动控制回路， 并阐述了操作流程。它可实现严格意义上的智能测重和自动平衡功能，从而满足了不同负载全程无重力化的需求，进而可 以高效快速地装配工件。 关键词气动平衡；智能测重；自动平衡 ；弹性浮动 中图分类号 T H1 3 8 ． 7 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 0 0 9 6 2 De s i g n o f Co n t r o l Lo o p f o r Ad a pt i v e Pne uma t i c Ho i s t i ng Eq u i p me nt Q i X i u l i ．L I U L i a n g 。 J U B i n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 5 9 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e p r o b l e m t h a t fl e x i b l e fl o a t i n g f o r h o i s t i n g e q u i p me n t c o u l d n o t b e a c h i e v e d i n C h i n a ，t h e p u r e p n e u ma t i c b a l a n c e d c i r c u i t wa s d e s i g n e d wi t h c h a r a c t e r s o f c o l l e c t i n g p r e s s u r e ，s t a b i l i z i n g p r e s s u r e a n d d e c o mp r e s s i o n p r o t e c t i o n，a n d t h e o p e r a t i o n p r o c e s s w a s e l a b o r a t e d． I t c a n rea l i z e t h e f u n c t i o n o f p r o p e r i n t e l l i g e n t me a s u r i n g w e i g h t and a u t o ma t i c b alanc i n g ，w h i c h me e t t h e r e q u e s t o f d i f f e r e n t l o a d wi t h o u t g r a v i t y ，t h e n w o r k p i e c e c a n b e a s s e mb l e d q u i c k l y a n d e f f i c i e n t l y ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c b ala n c e ；I n t e l l i g e n t me a s u r i n g we i g h t ；Au t o ma t i c b a l an c i n g ；F l e x i b l e fl o a t i n g 我国工厂使用较多的起重工具是电动葫芦、手拉 葫芦，但它们尤其在一些易燃易爆场合并不能满足频 繁吊装、作业时间短、精确定位的需求。而在汽车零 部件装配生产过程中，平衡系统应用广泛并且气动吊 装设备是传统工具 的升级换代产 品 。是利用气动平衡 技术实现 的。国内对气控 平衡 回路研究极少 ．一般直 接借助于液压平衡回路或者利用气体柔性来完成负载 定位 ，无法实现严格意义上的平衡。作者设计了自适 应吊装设备气动系统。具有可满足系统弹性浮动 、失 压保护、安全平稳可靠、冲击性低 、速度可调 、成本 低等优点。 ． 1 平衡回路原理设计及操作说明 气控平衡 回路 如图 1 所示 。 此气控平衡 回路 的核心元件是正偏差大流量减压 阀 1 4 ，并且设定此阀先导力等于输出力。 1 重物提 升操 作 步骤 长 按 上升 按 键 ，到达 预定位置 ，松手即可 。 在重物上升过程中，气路流程如图2所示。在控 制回路中，气源 1 依次经过减压阀2降压稳压 、换 向 阀3闭合、梭 阀 6信号选择、快排阀 1 0信号选择， 到达减压阀 1 4控制端。控制端处于有压状态 ，输出 力根据先导力作出响应；随后主路气源 1 依次经过大 流量减压阀 1 4 、单向阀 1 5到达气容 1 6 ，气容对压缩 空气进行稳压，出气 口分两路，一路经调速阀 1 7 、 1 8 到达气缸 1 9 ，负载提升，另一路经单向阀 1 3 进行 保压 ；当负载上升到预定位置时，将换向阀 3断开， 减压阀 1 4由于控制端泄压而导致先导力恢复为初值 。 虽然此时气缸内压力肯定大于减压阀 1 4的输出压力， 但由于单向阀 1 5反向截止的作用，负载仍然可靠地 停止在预定位置。 l 一气源 2 一i i 主 流减压阀3 、4 、5 、7 、9 一换 向阀 6 、8 一或门梭阀 1 0 、l 1 一快排阀 l 2 一消声器1 3 一单向阀l 4 一正偏差大流量减压阀 l 5 一气控单向阁 l 6 一微型气容 l 7 一进气节流 阕 1 8 一排 气 节流 阀 l 9 一气 缸 图 1 气控平衡回路原理图 收稿 日期 2 0 1 4 0 4 04 作者简介齐秀丽 1 9 5 7 一 ，女，硕士，教授，主要从事机械设计及 自动化和气压传动的科研和教学工作。E - m a i l j d q x l 1 6 3． c o rn。 第 l 0期 齐秀丽 等自适应气动吊装设备控制回路设计 9 7 气 源 1 大流 量减 压 阀1 4 ■m --t in l单 向阀1 5 二二 [ ___● ●___ _____ _____ __-__ __●●- __ ●-一 I 气 容 16 二 三 调速 阀 1 7 、1 8 重 物 上升 溢流 减压 阀2 _ 二 1 塑 l 厂 I 望 J 主 快排阀1 O 单 向阀1 3 二]二二 换向阀7 图 2 重物上升气路流程图 2 重物下降操作步骤长按下降按键，到达 预定位置 ，松手 即可。 在重物下降过程中，气路流程如图3所示。下降 与上升控制回路相似，气源 1 经过相应的阀最终到达 单向阀 1 5 控制 端 ．随 后 阀门打开 。由于此 时减 压阀 1 4先导力为初值 ．气缸 内的气 体最终 经减压 阀 1 4溢 流排出。当负载下降到预定位置时，将换向阀 4断 开 ，进 而换 向阀 1 5由于控制端 泄压 而关 闭 ，最终 负 载停留在预定位置。 气缸 l 9 调速阔1 8 、 l 7 l 二 二 } 气容 1 6 l r_ ] j- - I l 兰 塑 卜 卜 ．．．． ．．．．．．．．．．．．． I．． ．．．．． ．．．．．一 大流 量 减压 阀 1 4 一 重物 下 降 I I 童 溢流减压阀2 ■ 二 圆 主 l 梭阀8 二 二 l快排阀 I 1 图3 重物下降气路流程图 3 弹性浮动操作步骤 首先闭合全程平衡开 关 ，然后用手 上下拖 动 吊具 ，到达 理想位 置断开开关 即可 。 弹性浮动气路流程如图 4所示。在控制 回路 中． 气源 1 经过减压阀2降压稳压到达换 向阀 5 换向阀 5闭合后，输出口分两路一路到达换向阀 7的控制 端 。并且设定换向阀 7先导力略低 于换 向阀 9先导 力 ，因此换向阀7先动作 ，保压气体经换向阀 7 、梭 阀6 、快排阀 1 O到达减压阀 1 4控制端，主路先进行 加压，但此时单向阀 1 5并没有立即打开，保证 了负 载不会 由于全 程平衡 切换 而短暂下落 ；与此同时 ，另 一 路到达换向阀9的控制端，压缩空气依次经换向阀 9闭合 、梭阀 8 信号选择、快排阀 1 1 信号选择到达 单向阀 1 5控制端，阀门打开，主路处于动态平衡 ， 负载处 于弹性 浮 动状 态 ，用 手微 调 负 载实 现精 确定 位 。断开全程平 衡 开 关后 ，控 制 回路 失 压 ，单 向阀 1 5 处于关闭，减压阀 1 4先导力恢复初值，负载可靠 地停在预定位置。 图4 重物弹性浮动气路流程图 2 平衡回路创新之处及需解决的关键 问题 1 智能采压并考虑压力补偿。当负载重力不 同时。保压模块会 自动检测提升重物所需的平衡力。 考虑到阀有压降、沿程压力损失 ，采用正偏差大流量 减压 阀对保压模块进行压力补偿 ；主气路通过气容稳 压 ，减少负载振动 ，另外不 同按键操作切换 时 ，气容 可 以对整个 回路起 到一定 的缓 冲作用 。 2 弹性浮 动 。当重物 被 吊起 处 于 静止 时 ，这 时只需一个很小的外力就能实现轻松升降。当操作者 向上抬吊具时。气缸内压力低于设定压力 ，于是大流 量减压 阀快 速供气 ，结果 气 缸 内压力 恢 复 到设定 压 力 ；反之 ，操作者向下拉吊具时，多余气体通过大流 量减压阀溢流功能进行排气 ，直到气缸内压力恢复到 设定压力 。另外 ，负载处于全程无重力化状态时 ，减 压 阀 1 4一直处于动 态平衡 中。随时对气 缸 内的压力 变化作 出响应 。 3 断气 保护 及可 靠定 位 。二 位二 通换 向阀可 以实现 系统断气保护 和负载位置控制 的功能 。但 由于 换向阀密封性 ，负载很难长时间停在预定位置。文中 采用反向无泄漏的气控单向阀，可以较长时间控制重 物位置。另外，与换向阀恰恰相反的是 ，负载越大 ， 单向阀反向截止状态越好。 4 残压释放快速可靠。残压释放一般利用换 向阀中位 机 能实 现 ．回路需 要 多个 换 向 阀 ，操作 麻 烦。文中主回路采用大流量减压阀溢流 口释放 ，并附 下转第 1 0 6页 1 0 6 机床与液压 第4 3卷 值时，压力传感器 b发 出讯号，电磁铁 4 D失电， 阀回中位 ．张紧油缸压力保持在运行压力。在皮带运 行中，当张紧压力低于最小张紧压力 P 时，压力传 感器 a 发 出讯号 ．三位 四通 电磁 阀 4的电磁铁 3 D得 电，电磁阀换 向对张 紧蓄能器 8充液至低压减压 阀设 定压力后失电复中位 。 l 一高压减压阀 2 二位四通 电 磁 阀 3 氐 压减压阀 4 一三位四通电磁 阀 5 - _ 梭阀 6 一二位二通液控 换向阀 7 二位二通电磁阀 8 _蓄能器 9 双 向平衡阀 l 0 张紧油缸 n压力传感器a l 2 压力传感器b 图 1 自动张紧系统液压原理图 3 保 护 皮带液压 自动张紧系统在轨道两端装有限位开 关 ，当触发限位开关后皮带将自动停止运行。 张紧压力若在 2 0 s之内无法达到启动压力 P 高压减压阀设定值 ，或者张紧压力持续 3 S 低于最 小张紧力 P 皮带将 自动停止 运行 以提示 工作人 员 进行检修。 当发生紧急状况．张紧压力瞬间升高超过启动压 力 p 一双 向平衡 阀泄压 ，以防止皮带被拉断 。 4 皮带液压 自动张紧系统的优缺点 较传统 的固定绞车拉紧或重锤拉紧式张紧系统具 有以下优点体积小，安装方便灵活 ；操作简单 ，自 动控制 系统设置了蓄能器 ，能可靠地使 张紧力保持 在工作范 围内并适时补压 ；多重保 护以防止皮带 机发 生故 障。 皮带液压 自动张 紧系统采用 电液 自动控制 。系统 复杂，故 障排查 比较 困难，对检修人 员有较高 的 要求 。 5结束语 皮带液压 自动张紧系统经过现场使用 ，性能可 靠 ，效果 良好 ，具有一定 的推广价值 。 参考文献 [ 1 ]辛静． 带式输送机拉紧装置的比较分析[ J ] ． 矿山机械 ， 2 0 0 3 1 1 2 7 - 2 8 ． [ 2 ]王晶． 带式输送机液压拉紧装置控制系统的理论研究 [ D ] ． 阜新 辽宁工程技术大学， 2 0 0 6 ． [ 3 ]李修良， 陆永耕． 煤矿井下皮带运输机 自动张紧装置的 设计与应用[ J ] ． 机械制造与 自动化， 2 0 0 1 6 3 9 4 0 ． [ 4 ]张德坤， 葛世荣， 刘金龙． 带式输送机自动张紧装置的设 计『 J ] ． 矿山机械， 1 9 9 9 5 4 4 4 6 ． 上接 第 9 7页 加消声器 ，减少噪声控制回路采用快速排气阀实现 自动快速排气。 5 速度可调 ，成 本低 。考虑到 工作环境 不 同 ， 采用调速阀控制负载速度 ；负载停止在预定位置后 ， 大流量减压阀停 止工作 。有效利用压缩空气 ；文中主 回路仅采用了一个大流量减压阀完成设计需求，降低 了成本 。 6 操作简单。普通平衡回路需要多个不同的 按键实现空载和负载平衡 的切换 ，文 中平衡 回路仅有 3个按键 ，就能满足不同重物升降及无重力化状态的 需求 ，降低了工人操作难度，很大程度上降低误操作 概率。 3结论 分析并指出现有气控平衡回路存在的问题 ，给出 了具有 弹性浮动 、操作简单 、安全性 高、成本低 、吊 装速度可调等特点的纯气控平衡回路。此平衡回路对 我国自适应吊装设备出现的吊装精度低、安全性低、 冲击性高等问题具有一定参考价值。运用此平衡回路 的自适应吊装设备可以使负载处于无重力化状态．可 广泛应用于现代工业中的物料移载、高频率搬运、精 确定位 、部件装配等场合。在汽车生产线、机械制造 及家用电器生 产线 中 ，自适应气动 吊装设备在减轻劳 动强度、保障安全作业、提高生产效率等方面发挥着 越来越重要的作用。 参考文献 [ 1 ]王红安． 气动平衡技术在电动拧紧轴上的应用[ J ] ． 中国 高新技术企业， 2 0 1 3 1 6 5 7 5 8 ． [ 2 ]徐苏杰． 一种气动葫芦的开发与应用[ J ] ． 机械制造与 自 动化， 2 0 1 2 ， 4 1 4 5 9 - 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